Dra nytta av en sällsynt orbitalinriktning mellan två av Jupiters månar, Io och Europa, forskare har fått en exceptionellt detaljerad karta över den största lavasjön på Io, den mest vulkaniskt aktiva kroppen i solsystemet.

Den 8 mars, 2015, Europa passerade framför Io, gradvis blockerar ljus från vulkanmånen. Eftersom Europas yta är belagd med vattenis, det reflekterar väldigt lite solljus vid infraröda våglängder, tillåter forskare att exakt isolera värmen från vulkaner på Ios yta.

De infraröda data visade att yttemperaturen för Ios massiva smälta sjö stadigt ökade från ena änden till den andra, tyder på att lavan hade vält i två vågor som var och en svepte från väst till öster på ungefär en kilometer (3, 300 fot) per dag.

Vändande lava är en populär förklaring till den periodiska ljusningen och dimningen av hetpunkten, kallade Loki Patera efter den nordiske guden. (En patera är en skålformad vulkansk krater.) Den mest aktiva vulkaniska platsen på Io, som i sig är den mest vulkaniskt aktiva kroppen i solsystemet, Loki Patera är cirka 200 kilometer bred. Det varma området på pateran har en yta på 21, 500 kvadratkilometer, större än Ontariosjön.

Jordbundna astronomer märkte först Ios förändrade ljusstyrka på 1970 -talet, men först när rymdfarkosten Voyager 1 och 2 flög förbi 1979 blev det klart att detta berodde på vulkanutbrott på ytan. Trots mycket detaljerade bilder från NASA:s Galileo -uppdrag i slutet av 1990 -talet och början av 2000 -talet, astronomer fortsätter att diskutera om ljusningarna vid Loki Patera - som inträffar var 400 till 600 dagar - beror på att lava välter i en massiv lavsjö, eller periodiska utbrott som sprider lavaströmmar över ett stort område.

"Om Loki Patera är ett lavahav, det omfattar ett område som är mer än en miljon gånger det för en typisk lavasjö på jorden, "sa Katherine de Kleer, en doktorand vid UC Berkeley och studiens huvudförfattare. "I detta scenario, delar av kall skorpa sjunker, exponera glödande magma under och orsaka en ljusning i det infraröda. "

"Detta är den första användbara kartan över hela patera, "sa medförfattaren Ashley Davies, från Jet Propulsion Laboratory i Pasadena, som har studerat Ios vulkaner i många år. "Det visar inte bara en utan två uppåtgående vågor som sveper runt pateran. Detta är mycket mer komplext än vad man tidigare trodde".

"Detta är ett steg framåt för att försöka förstå vulkanism på Io, som vi har observerat i mer än 15 år, och i synnerhet den vulkaniska aktiviteten vid Loki Patera, "sade Imke de Pater, en professor i astronomi vid UC Berkeley.

De Kleer är huvudförfattare till ett papper som rapporterar de nya fynden som kommer att publiceras den 11 maj i tidningen Natur .

Kikarteleskop vänder Io två ögon

Bilderna erhölls av de dubbla 8,4 meter (27,6 fot) speglarna från Large Binocular Telescope Observatory i bergen i sydöstra Arizona, kopplade ihop som en interferometer med hjälp av avancerad adaptiv optik för att ta bort atmosfärisk suddighet. Anläggningen drivs av ett internationellt konsortium med huvudkontor vid University of Arizona i Tucson.

"Två år tidigare, LBTO hade tillhandahållit de första markbaserade bilderna av två separata hotspots inom Loki Patera, tack vare den unika upplösningen som erbjuds av interferometrisk användning av LBT, vilket motsvarar vad ett 23 meter (75 fot) teleskop skulle ge, "noterade medförfattare och LBTO-chef Christian Veillet." Den här gången, dock, den utsökta upplösningen uppnåddes tack vare observationen av Loki Patera vid en ockultation av Europa. "

Europa tog cirka 10 sekunder att helt täcka Loki Patera. "Det fanns så mycket infrarött ljus tillgängligt att vi kunde dela upp observationerna i intervaller på en åttondelsekund under vilken Europas kant bara gick några kilometer över Ios yta, "sa medförfattaren Michael Skrutskie, vid University of Virginia, som ledde utvecklingen av den infraröda kameran som användes för denna studie. "Loke täcktes från en riktning men avslöjades från en annan, bara det arrangemang som behövs för att göra en verklig karta över fördelningen av varm yta inom patera. "

Dessa observationer gav astronomerna en tvådimensionell termisk karta över Loki Patera med en upplösning bättre än 10 kilometer, 10 gånger bättre än normalt möjligt med LBT -interferometern vid denna våglängd (4,5 mikron). Temperaturkartan avslöjade en jämn temperaturvariation över sjöytan, från cirka 270 Kelvin vid västra änden, där välten tycktes ha börjat, till 330 Kelvin i sydöstra änden, där den vältade lavan var färskast och hetast.

Med hjälp av information om temperaturen och kylhastigheten för magma som härrör från studier av vulkaner på jorden, de Kleer kunde beräkna hur nyligen ny magma exponerats vid ytan. Resultaten - mellan 180 och 230 dagar före observationerna i västra änden och 75 dagar före i östra - överensstämmer med tidigare uppgifter om hastigheten och tidpunkten för vändningen.

Intressant, välten började vid olika tidpunkter på två sidor av en sval ö i mitten av sjön som har funnits där sedan Voyager fotograferade den 1979.

"Välvningshastigheten är också annorlunda på öns två sidor, som kan ha något att göra med sammansättningen av magma eller mängden upplöst gas i bubblor i magma, "sa de Kleer." Det måste finnas skillnader i magmatillförseln till de två halvorna av pateran, och vad som än utlöser, startar vändningen att utlösa båda halvorna nästan samtidigt men inte exakt. Dessa resultat ger oss en inblick i det komplexa VVS -systemet under Loki Patera. "

Lava sjöar som Loki Patera välter eftersom kylytans skorpa långsamt tjocknar tills den blir tätare än den underliggande magma och sjunker, dra närliggande skorpa med den i en våg som sprider sig över ytan. Enligt de Pater, när skorpan bryts sönder, magma kan spruta upp som eldfontäner, i likhet med vad som har setts i lavasjöar på jorden, men i mindre skala.

De Kleer och de Pater är ivriga att observera andra Io -ockultationer för att verifiera deras fynd, men de får vänta till nästa inriktning 2021. För tillfället, de Kleer är glad att interferometern som länkar de två teleskopen, den adaptiva optiken på varje och den unika ockultationen kom ihop som planerat den natten för två år sedan.

"Vi var inte säkra på att en så komplex observation ens skulle fungera, " Hon sa, "men vi var alla förvånade och glada över att det gjorde det."